数据中心冷水空调系统与间接蒸发冷却空调系统建模对比分析

2021-03-16中国移动通信集团设计院有限公司姜宇光

暖通空调 2021年1期

中国移动通信集团设计院有限公司姜宇光

0 引言

当前国内数据中心能耗普遍较高，大型数据中心平均电能利用效率PUE为1.6左右[1]。2018年工业和信息化部提出新建大型、超大型数据中心的PUE要降到1.4以下。北京地区和上海地区出台政策要求新建数据中心PUE低于1.4甚至低于1.3。

数据中心能耗中空调系统能耗占了很大一部分，约为40%，节能潜力巨大。目前新建数据中心通常采用冷水机组+板式换热器+冷却塔的冷水空调系统，在一定条件下可利用自然冷源，节能率有一定提高，但系统复杂，节能影响因素较多，究竟采用什么样的节能运行策略有必要进行梳理和研究。同时，近两年随着GB 50174—2017《数据中心设计规范》放宽机房环境温度要求，间接蒸发冷却技术在数据中心逐渐得到推广应用，节能效果显著，对其运行特性也有必要探究。

本文通过理论计算和设备运行参数拟合对2种系统进行建模，并对全国主要典型城市的模拟计算应用效果进行综合对比分析。

1 2种系统工作原理介绍

1.1 冷水空调系统

系统主要由冷水机组、冷却塔、板式换热器、冷却水循环泵、冷水循环泵、空调末端及配套管道、阀门等组成。冷水机组一般为大容量离心式冷水机组，COP可达6.0～7.0。数据中心全年24 h均需要供冷，气温较低时可以通过冷却塔利用室外自然冷源供冷，通常设置板式换热器，冷水直接和冷却水换热降温。板式换热器与冷水机组一般有并联和串联2种连接形式，串联连接过渡季使用，可以部分利用自然冷源，本文主要讨论串联连接系统架构。冷水空调系统原理如图1所示。

图1 冷水空调系统原理图

该系统根据室外环境参数有3种运行工况模式，分别为夏季冷水机组独立供冷模式、过渡季冷水机组+板式换热器联合供冷模式和冬季冷却塔+板式换热器联合供冷模式。

1.2 间接蒸发冷却空调系统

间接蒸发冷却空调一般有两股气流同时经过换热器，它们互不接触。室内侧空气为产出空气，即需要被冷却的空气，主要来自机房室内回风；室外侧空气为冷却空气，它使换热器喷淋水蒸发，从而降低换热器表面温度以冷却室内侧空气，室外侧空气在外部流通，吸入机组后再排到室外[2]。

该空调系统比较简单，除了外部补水管路系统外主要为独立间接蒸发冷却空调机组，机组内集成了室内外风机、用于补冷的风冷直膨压缩机系统、喷淋循环水泵、换热芯体等设备。机组同样有3种运行工况模式，分别为干工况模式、湿工况模式、联合工况模式。间接蒸发冷却空调系统原理如图2所示。

图2 间接蒸发冷却空调系统原理图

通常在一定设计工况下，依据室外侧风机和喷淋系统的运行时长，还可分为节能优先和节水优先2种模式：节能优先是指在不冻结的情况下延长湿工况时间，从而达到增加水消耗、降低室外风机能耗的作用；节水优先是指当室外风机干冷却可以满足供冷要求时，停止喷淋系统，系统处于空气-空气换热状态，减少水资源的消耗。

2 2种系统运行策略及模型搭建

2.1 冷水空调系统建模

2.1.1运行策略分析

当系统运行在夏季工况模式时，主要是冷却塔、冷水机组、冷水泵和冷却水泵、空调末端运行，板式换热器不工作。冷水泵和冷却水泵由于按照板式换热器和冷水机组串联连接的最不利管网阻力选型，此时少了板式换热器的阻力，水泵会降频运行以适应新的管网阻力，保证系统水流量不变。冷却塔风机定频满载运行，由于冷却塔通常根据冬季工况室外湿球温度选型，夏季运行时塔体处理水量能力过剩，因此冷却塔出水温度冷幅较小，同时随着室外湿球温度降低，冷却水出水温度也会进一步降低。由于系统冷负荷不变，冷水机组制冷量也保持不变，但随着室外参数变化、冷却水出水温度降低，冷水机组冷凝温度降低，能效相应提高，功耗降低。

当系统运行在过渡季工况模式时，在夏季运行模式设备基础上增加了板式换热器，板式换热器进出口阀门打开后被串联进冷水机组系统。冷水泵和冷却水泵此时运行在最不利管网阻力下，水泵以额定频率满载运行。进入过渡季工况后，冷却塔风机先定频满载运行，随着室外温度降低，冷却水出水温度即将低于冷水机组冷凝器最低进水温度或冷水机组负荷率即将低于喘振点负荷率时，冷却塔风机开始降频运行，降低冷却塔能耗的同时保障最低出水温度。随着室外温度变化，冷却水出水温度降低，从而冷凝温度降低，另外，板式换热器换热承担的负荷逐渐增大，此时冷水机组能效及能耗在2种因素共同作用下相应变化，直到保持在最低进水温度，能耗维持不变。

当系统运行在冬季工况模式时，在过渡季运行模式设备基础上减少了冷水机组，冷水机组被旁通停机不工作。冷水泵和冷却水泵由于少了冷水机组的阻力，再次降频运行以保证系统水流量不变。考虑节能，冷却塔风机先降频运行，保障出水温度，直到冷却塔风机频率降低到最低频率，当室外温度下降到冷却塔可以靠自然淋水降温时，关闭冷却塔风机。期间为保障最低集水盘水温，防止冻结，需开启集水盘电加热。

以上是针对冬季会结冰地区不同环境温度参数下的运行策略，其中空调末端风机始终满载运行，一些南方省市冬季运行模式可以简化。

2.1.2建模思路

本文采用Excel软件对冷水空调系统主要的冷源设备及管路进行了简化，并计算了每一段管路的温度和流量，如图3所示。图3中冷却塔管路部分及空调末端管路部分较为独立，仅在模型计算中体现，模型为一级泵变流量系统。简化模型中除了冷却水供水温度依据室外环境参数和冷却塔性能变化外，其余管路温度、流量、V1～V8阀门开关动作均通过设置好的初始条件和运行策略利用VBA编程自动控制计算，计算中同时考虑了不同区域海拔对设备性能的影响。模型中冷水供回水温度取15 ℃/21 ℃，当室外湿球温度≤9 ℃时运行在冬季模式，9 ℃<室外湿球温度≤15 ℃时运行在过渡季模式，15 ℃<室外湿球温度时运行在夏季模式。

图3 冷水空调系统简化模型

为了简化模型计算，作如下假设：系统各设备、管路没有热损失；板式换热器传热系数不变；系统始终在额定负荷下运行，且冷水机组、板式换热器容量与负荷完全匹配，没有修正或富余系数；空调末端不作为本文重点研究对象，按照某典型大型节能数据中心冷水型空调末端综合平均能效考虑。

2.1.3冷却塔建模

采用开式冷却塔，冬季冷却水供回水温度设为14 ℃/18 ℃，相应湿球温度取9 ℃(冷幅5 ℃)。根据冷却塔不同模式运行策略，需要拟合湿球温度与冷却水供水温度之间的特性曲线、冬季湿球温度与风机运行功率之间的特性曲线。

1) 湿球温度与出水温度的关系。

当冷却塔风机满载运行时，冷却水维持额定流量循环，在一定冷却水供回水温差下室外环境湿球温度与冷却水出水温度之间的关系如图4、5所示。

图4 冬季湿球温度与冷却塔出水温度特性曲线

图5 夏季湿球温度与冷却塔出水温度特性曲线

从图4、5可以看出，特性曲线为一条直线，不同进出水温差下曲线略有不同。模型计算中知道环境湿球温度即可通过拟合公式得出冷却水出水温度，其中，夏季实际进出水温差基本为5 ℃左右，可直接利用公式计算，冬季实际进出水温差为4～5 ℃，需要进行插值计算。

2) 冬季湿球温度与风机运行功率的关系。

在冷却水维持额定流量循环，并保持进出水温度不变的情况下，当冷却塔风机根据室外环境湿球温度变频调节时，湿球温度与风机频率及运行功率之间的特性曲线如图6、7所示。

图6 湿球温度与冷却塔风机频率特性曲线

图7 风机频率与冷却塔风机运行功率特性曲线

图6、7中的特性曲线均可以看作是平滑曲线，模型计算中知道环境湿球温度即可通过拟合公式得出风机频率及冷却塔风机运行功率。

2.1.4冷水机组建模

采用大容量定频离心式冷水机组，冷水供回水温度设为15 ℃/21 ℃，夏季冷却水供回水温度设为32 ℃/37 ℃。该工况下额定COP取7.0，冷水机组喘振点负荷率取15%，即过渡季冷水机组、板式换热器联合供冷时冷水机组实际承担的冷负荷低于额定负荷的15%时认为冷水机组无法工作。冷水机组供水温度可以认为始终维持在15 ℃，其实际供冷量可由下式计算：

Qce=(ti-to)cqc

(1)

式中Qce为冷水机组制冷量，kW；ti为冷水机组进水温度，℃；to为冷水机组出水温度，℃，取15 ℃；c为水的比热容，kJ/(kg·℃)；qc为冷水流量，kg/s。

冷水机组冷凝侧散热量可由下式计算：

(2)

式中Qcc为冷水机组冷凝侧散热量，kW；COP为冷水机组性能系数。

由于冷水机组冷却水温度、冷水温度及实际负载率在不同工况下会随着环境温度变化而变化，对冷水机组实际运行性能系数COP产生影响，模拟计算中对于水温的影响参考厂家设备参数数据，按照温度平均每变化1 ℃相应的COP在基准值基础上增加或减少2.5%考虑，冷水机组负载率对COP的影响按照厂家设备数据拟合计算。图8显示了冷水机组不同负荷率下的COP。从图8可以看出，冷水机组部分负荷下运行时能效最高。

图8 冷水机组不同负荷率下的COP

冷水机组实际运行功耗可由下式计算：

(3)

式中Ec为冷水机组实际运行功率，kW。

2.1.5板式换热器建模

板式换热器两侧低温水温差按照1 ℃考虑，为保证冬季板式换热器可承担全部负荷，板式换热器选型换热量取冷水机组额定制冷量，冷水侧供回水温度取21 ℃/15 ℃，冷却水侧供回水温度取14 ℃/18 ℃，按此参数可以反算出板式换热器的换热面积与传热系数的乘积，在模拟计算中可以按此计算出两侧出水温度和实际换热量，具体可由以下公式计算：

Qhd=ΔtdAK

(4)

式中Qhd为板式换热器设计换热量，kW；Δtd为板式换热器设计平均温差，℃；A为板式换热器换热面积，m2；K为板式换热器传热系数，kW/(m2·℃)。

Qha=q1(tco-tci)c=qc(tfo-tfi)c=ΔtaAK

(5)

式中Qha为板式换热器实际换热量，kW；q1为板式换热器冷却侧流量，kg/s；tco为板式换热器冷却侧出水温度，℃；tci为板式换热器冷却侧进水温度，℃；tfo为板式换热器冷水侧出水温度，℃；tfi为板式换热器冷水侧进水温度，℃；Δta为板式换热器实际平均温差，℃。

2.1.6水泵及管网建模

模型中假定水泵随时可以变频匹配管网阻力特性以保证流量稳定，因此对于水泵，主要需要计算不同工况下的实际运行功率：

(6)

式中Ep为水泵实际运行功率，kW；ρ为流体密度，kg/m3；qp为水泵流量，m3/s；H为水泵扬程，m；η为水泵效率，取0.82。

水泵扬程与不同工况下水流经的冷水机组冷凝器和蒸发器、板式换热器、空调末端、管道阻力损失及冷却塔布水所需自由水头等有关，模型中按照不同工况系统阻力分别计算。

系统管网中工况切换阀门V1～V8开关策略如下：

1) 夏季模式，关闭V2、V4、V7、V5，打开V1、V3、V8、V6；

2) 过渡季模式，关闭V1、V3、V7、V5，打开V2、V4、V8、V6；

3) 冬季模式，关闭V1、V3、V8、V6，打开V2、V4、V7、V5。

2.1.7耗水量计算

根据系统不同工况运行策略，冷却水和室外环境温差不大，冷却塔全年均主要靠水蒸发带走热量，因此蒸发耗水量与冷凝散热量相关。由于冷却水流量维持不变，蒸发耗水量可以认为与冷却水供回水温差直接相关。依据冷却塔厂家设备数据，5 ℃温差时冷却塔耗水量约为冷却水循环流量的0.8%，4 ℃温差时约为循环流量的0.64%，模型计算中通过不同温差线性插值计算并根据相应运行时长即可以统计全年冷却塔耗水量。

2.2 间接蒸发冷却空调系统建模

2.2.1运行策略分析

当系统运行在干工况模式时，只有机组室内外风机运行。室外风机与室外环境干球温度相关，变频调节运行，此时机组没有耗水量。

当系统运行在湿工况模式时，除了风机运行外，喷淋泵也运行。室外风机运行基本只与室外环境湿球温度相关，变频运行。喷淋泵定频满载运行，此时机组有一定耗水量。

当系统运行在混合模式时，风机、喷淋泵和补冷压缩机全部开启运行。室外风机及喷淋泵均满载运行，压缩机运行基本只与室外环境湿球温度相关，变频运行调整补冷率，保证机组整体制冷量满足机房冷负荷要求，此时机组有较大耗水量。

所有模式下室内风机均始终满载运行。

2.2.2建模思路

本文主要通过Excel软件以列表的形式对机组内各设备的实际功耗及机组耗水量进行逐时计算，计算中考虑了不同区域海拔对设备性能的影响。模型计算中设备在不同模式下的特性曲线依照厂家设备运行参数通过多项式回归拟合得到。模型中室内送回风温度设定为25 ℃/38 ℃。节水优先模式时，当室外干球温度≤16 ℃时运行在干工况模式，室外干球温度>16 ℃且湿球温度≤19 ℃时运行在湿工况模式，室外湿球温度>19 ℃时运行在混合模式。节能优先模式时，当室外干球温度≤5 ℃时运行在干工况模式，室外干球温度>5 ℃且湿球温度≤19 ℃时运行在湿工况模式，室外湿球温度>19 ℃时运行在混合工况模式。

为了简化模型计算，假设系统各设备没有热损失；假设系统始终在额定负荷下运行，且设备容量与负荷完全匹配，没有修正或富余系数。

2.2.3风机建模

机组室内风机全年按照额定功率运行。

机组室外风机在干工况模式运行时，运行功耗与室外环境干球温度相关，可直接用机组运行参数拟合，结果见图9。

图9 干工况模式运行时室外空气干球温度与室外风机运行功率特性曲线

机组室外风机在湿工况模式运行时运行功耗与室外环境湿球温度相关，机组运行数据散点图见图10，需要回归拟合后求得特性曲线。

图10 湿工况模式运行时室外空气湿球温度与室外风机运行功率散点图

机组室外风机在混合工况模式运行时，按照额定功率运行。

2.2.4喷淋泵建模

喷淋泵由于功耗较小，通常机组配置定频水泵，在湿工况模式和混合工况模式运行时按照额定功率长时间运行。

2.2.5压缩机建模

压缩机通常为变频压缩机，主要在混合工况模式蒸发产生的冷量无法满足所有冷负荷时作为补充制冷设备运行。随着室外环境湿球温度变化，补冷量和压缩机功耗相应变化，因此运行功耗可以认为与室外湿球温度相关，依据机组运行数据散点图(见图11)，回归拟合后可求得特性曲线。

图11 湿工况模式运行时室外空气湿球温度与压缩机运行功率散点图

2.2.6耗水量计算

机组在湿工况模式与混合工况模式运行时有较大蒸发耗水量和排污水量，蒸发耗水量可由下式简易计算：

W=0.001(dh-do)q

(7)

式中W为蒸发耗水量，kg/s；dh为室外空气湿球温度饱和状态时的含湿量，g/kg；do为室外空气含湿量，g/kg；q为室外风机风量，kg/s。

计算得到蒸发耗水量后，考虑一定排污量，即可计算机组逐时耗水量及全年耗水量。

3 技术特性对比

3.1 概述

不同空调系统形式的技术特性与室外空气干球温度和湿球温度密切相关，GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》将全国划分为5个气象区[3]，本文分析计算中选择表1中不同气象区的代表城市作为研究对象，各城市室外逐时气象参数选择《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中提供的全年8 760 h气象参数[4]。

表1 不同气象区代表城市

电能利用效率PUE是数据中心非常重要的节能评价指标[5]，对PUE进行分解，其中空调系统总耗能与所有电子信息设备总耗能之比被称为空调PUE因子，一般是一个小于1的数。

水利用效率WUE是数据中心非常重要的节水评价指标，指的是数据中心内所有用水设备消耗的总水量与所有电子信息设备消耗的总电能之比[5]，通常数据中心主要用水为空调系统蒸发耗水。

在下文中，主要通过对不同空调系统的全年自然冷源利用时长、空调PUE因子、水利用效率WUE分别进行计算对比后进行技术特性分析。

3.2 节能率对比

图12显示了完全利用自然冷源时长对比。由图12可以看出，间接蒸发冷却空调全年不开启压缩机、完全利用自然冷源的时长占比明显高于冷水空调系统，其中，呼和浩特、乌鲁木齐、西宁、兰州、拉萨、昆明几个城市几乎全年100%的时间可以完全利用自然冷源，即使对于广州、南宁、海口几个冷水空调系统全年几乎没有完全利用自然冷源时间的城市，间接蒸发冷却空调依然有25.4%～42.4%的时间可以完全利用自然冷源。

图12 完全利用自然冷源时长对比

图13、14显示了不同气象区的全年空调PUE因子对比。从图13、14可以看出：在严寒、寒冷、温和地区城市，间接蒸发冷却空调系统PUE节能率明显高于冷水空调系统，尤其在兰州、昆明、乌鲁木齐等气候较干燥城市；在夏热冬冷和夏热冬暖地区，间接蒸发冷却空调节能率有限，不同地区空调PUE因子大体相差0.011～0.043，间接蒸发冷却空调PUE因子全国最高为0.22，最低为0.10，冷水空调系统空调PUE因子全国最高0.24，最低为0.13。

图13 严寒地区和寒冷地区城市全年空调PUE因子对比

图14 夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及温和地区城市全年空调PUE因子对比

3.3 节水率对比

图15、16显示了不同气象区的全年WUE对比。从图15、16可以看出，间接蒸发冷却空调系统节水率明显优于冷水空调系统，节水模式下全年耗水量仅为冷水空调系统的10%～22%。间接蒸发冷却节水特性主要在于全年有很大一部分时间是在干工况模式下运行，仅开启室外风机即可，而冷水空调系统全年均需要开启冷却塔靠蒸发带走热量，因此间接蒸发冷却技术在节水上同样有巨大潜力。

图15 严寒地区和寒冷地区城市全年WUE对比

图16 夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及温和地区城市全年WUE对比

4 经济性对比

4.1 概述

以一栋装机4 000机架、5 kW/机架的数据中心为例进行经济对比，其中冷水空调系统配置4台单机制冷量为7 737 kW(2 200 rt)的10 kV离心式冷水机组(三用一备)及配套板式换热器、开式冷却塔、水泵、管路、阀门等；间接蒸发冷却空调系统配置135台单机制冷量为200 kW的间接蒸发冷却机组及配套软水器、冷却水补水泵、管路等。

初投资计算中所有设备成本均按照目前市场价进行估算，并根据所在城市海拔情况适当调整。运行费用按照各个城市综合电价和工业用水综合水价计算，系统运行性能参数取第3章计算得到的不同城市的空调PUE因子、WUE。

经济性分析主要对比整栋数据中心分别采用2种空调系统时的运行电费、运行水费及投资回收期几个经济性指标数据。

4.2 经济性对比

图17显示了不同气象区代表城市数据中心分别采用间接蒸发冷却空调(节能模式)、间接蒸发冷却空调(节水模式)、冷水空调系统时的全年空调水费对比。

图17 不同气象区代表城市全年空调水费对比

由图17可以看出，北方缺水地区全年空调水费总体高于南方地区，尤其北京地区水费较高。往往干燥的地区也是缺水的地区，采用节能模式还是节水模式运行还需结合当地政策。

图18显示了不同气象区代表城市分别采用间接蒸发冷却空调(节能模式)、间接蒸发冷却空调(节水模式)、冷水空调系统时的全年空调电费对比。

图18 不同气象区代表城市全年空调电费对比

由图18可以看出，南方地区全年电费高于北方地区，主要因为南方地区全年自然冷源利用时长小于北方地区，因此运行能耗高于北方地区。由于电费明显高于水费，总体上南方地区数据中心运行成本相对较高。

目前数据中心应用间接蒸发冷却机组技术上还不够成熟，机组价格较高且差异较大，对该系统的投资回收期计算有较大影响。当单台机组分别按照行业内较高价格70万元和平均价格60万元计算时，全国不同气象区代表城市采用间接蒸发冷却空调节能模式和节水模式时相对于采用冷水空调系统时的投资回收期对比分别见图19和图20。

图20 间接蒸发冷却机组单价为60万元时全国各地区城市投资回收期对比

投资回收期与所采用技术的初投资及运行费用密切相关，由于数据中心运行费用占总费用的比例较大，初投资有较小的变化都会对投资回收期产生较大影响。当蒸发冷却机组单价为70万元时，所有地区大概在4～6 a左右可以回收机组的初投资，其中温和地区及北方电价较高地区回收期较短，西宁、拉萨高海拔地区因为设备及人工成本相对较高，回收期也相对较长。当机组单价降低到60万元时，大部分地区半年左右即可回收初投资，即使在拉萨地区，不到2 a也可以回收，此时间接蒸发冷却空调机组节能经济效益将非常明显。